JP2005530997A - 熱処理チャンバ内で温度測定装置を較正するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

熱処理チャンバ内で高温計などの温度測定装置を較正する方法およびシステム（１０）を開示する。本発明によれば、このシステムは、熱処理チャンバ内に収容された基板（１４）上に光エネルギーを放出する較正用光源（２３）を含む。次いで、光検出器（４２）がこの基板を透過する光の量を検出する。その後、検出された光エネルギーの量を用いて、システム内で使用する温度測定装置（２７）を較正する。

Description

本発明は、熱処理チャンバ内で温度測定装置を較正するシステムおよび方法に関する。

本明細書で用いる熱処理チャンバとは、半導体ウエハなどの物体を急速に加熱する装置を指す。一般に、このような装置は、１つまたは複数の半導体ウエハを保持する基板ホルダおよびこれらのウエハを加熱するエネルギー源、例えば加熱ランプおよび／または電気抵抗式ヒータを含む。加熱処理中、これらの半導体ウエハは、あらかじめ設定した温度領域に従って制御された条件下で加熱される。

多くの半導体加熱処理では、ウエハからデバイスを製作するときに様々な化学的／物理的変化が生じ得るように、ウエハを高温に加熱する必要がある。例えば、急速熱処理中に半導体ウエハは、アレイ状のライトによって典型的には約３００℃から約１，２００℃の温度に、典型的には数分未満の時間にわたって加熱される。こうした処理中の主な目標の１つは、できるだけ均一にウエハを加熱することである。

半導体ウエハの急速熱処理中、ウエハ温度を監視し制御することが望ましい。特に、現在および近い将来に対象とするすべての高温ウエハ処理では、ウエハの真の温度を高精度で再現性よく高速に求めることが重要である。ウエハの温度を正確に測定することができると、製造する集積回路の品質および数量の点で直接の見返りがある。

ウエハ加熱システムの最大の挑戦課題の１つは、加熱処理中の基板温度の正確な測定を可能にすることである。従来、熱処理チャンバ内で基板の温度を測定する様々な手段および装置が開発されてきた。このような装置の例には、例えば、高温計、基板に直接接触する、または基板に隣接して配置される熱電対、およびレーザ干渉の利用が含まれる。

熱処理チャンバ内で高温計を使用するには、一般に、高温計を較正する必要がある。そのため、現在、高温計の温度示度を正確な絶対温度基準に合わせるための様々な較正手順が存在する。熱処理チャンバ内で高温計を較正するための現況の最も普及している方法は、半導体ウエハ中に熱電対を埋め込んでそのウエハをチャンバ内に配置することである。この熱電対から得られた温度測定値と、温度測定装置から受け取った温度示度を比較し、差異があればそれを較正する。

この方法は、高温計などの温度測定装置を較正するのによく適しているが、これらの装置を較正するのにかなりの長さの時間を必要とする。したがって、現在、休止時間があまり長くならずに、熱処理チャンバ内で高温計を極めて迅速に較正する方法が求められている。特に、熱処理チャンバの完全性および清浄性を維持するために、チャンバを開けることを必要とせずにチャンバ内で高温計を較正する方法が求められている。光学式高温測定システムが正常に機能していることを検証するための定期的な点検として日常的に用いることができる、熱処理チャンバ内で高温計を較正する簡単な方法も求められている。

本発明は、熱処理チャンバ内で温度測定装置を較正する方法を対象とする。この方法は、熱処理チャンバ内に較正用ウエハを配置するステップを含む。熱処理チャンバ内で較正用ウエハを加熱しながら、較正用光源からこのウエハ上に光エネルギーを放出させる。例えば、このウエハは、光エネルギーおよび／または電気抵抗式ヒータを使用することによって加熱することができる。この較正用光源から放出され、較正用ウエハを透過する光エネルギーの量を検出する。次いで、検出された透過光量に基づいて、較正用ウエハの温度を求める。

この情報から、熱処理チャンバ内に含まれる温度測定装置を較正することができる。温度測定装置は、例えば、１つまたは複数の高温計、１つまたは複数の熱電対、または任意の他の適切な温度測定装置とし得る。

このプロセス中に、較正用ウエハを透過する光エネルギーを１つまたは複数の特定の波長で検出する。一般に、この波長は赤外の範囲とし得る。例えば、検出波長は、約１ミクロンから約２ミクロンとし得る。一実施形態では、透過光は、いくつかの波長で同時に検出される。ただし、代替実施形態では、第１波長を用いて比較的低温でウエハを透過する光の量を検出し、第２波長を用いて比較的高温でウエハを透過する光の量を求める。例えば、第１波長は第２波長よりも短くし得る。第２波長を用いて、約７００℃よりも高い温度でウエハの温度を求めることができる。

本発明で使用する較正用光源は、コヒーレント光源またはインコヒーレント光源とし得る。コヒーレント光源の例は、例えばレーザである。インコヒーレント光源の例は、例えば、タングステンハロゲンランプまたは発光ダイオードである。

本発明の方法で使用する較正用ウエハは、特定の応用例に応じて変わり得る。一実施形態では、較正用ウエハはシリコンウエハである。干渉の影響を小さくし、かつ較正用ウエハを透過する光の量を最大にするために、較正用ウエハは、ウエハの片面または両面に塗布された反射防止被覆を含み得る。比較的高い温度での測定では、較正用ウエハは薄い領域も含むことができ、そこで透過測定値が取得され、温度測定装置が較正される。

較正用ウエハが薄い領域を含む場合、この薄い領域は、様々な方法に従って生成し得る。例えば、一実施形態では、較正用ウエハに開口を画定することができる。この薄い領域は、この開口の上に配置された薄い部材を含み得る。あるいは、この薄い領域は、ウエハの残りの部分と一体とすることができる。

いくつかの実施形態では、この薄い領域により、熱特性の差の結果として加熱中に温度勾配が生じ得る。そのため、この薄い領域とウエハの残りの部分の熱特性の差を小さくするように設計された被覆を較正用ウエハの上に配置することがある。この被覆は、単層または多層の被膜から作製し得る。この被覆は、例えば、シリコン、ポリシリコン、および／または窒化シリコンを含み得る。特定の一実施形態では、この薄い領域には、熱質量の差を小さくする充填部材を充填することができる。この充填部材は、石英、またはサファイアなどの酸化アルミニウムから作製し得る。

較正用ウエハは様々な材料から作製し得ることを理解されたい。一実施形態では、較正用ウエハは、例えば実質的に不透明な材料から作製し得る。不透明な材料は、比較的低い温度で高温計を較正する際に有益である。この実施形態では、較正用ウエハは、シリコンなどの透過性材料から作製した領域をさらに含み得る。シリコンの領域を用いて透過測定を行い、不透明な領域は高温計に位置合わせすることができる。

具体的には、以下のようになる。

本発明にかかるシステム（１０）は、熱処理チャンバ内に収容された基板（１４）上に光エネルギーを放出する較正用光源（２３）を含み、次いで、光検出器（４２）がこの基板を透過する光の量を検出し、その後、検出された光エネルギーの量を用いて、システム内で使用する温度測定装置（２７）を較正する。このようにして、熱処理チャンバ内で高温計などの温度測定装置を較正することができる。

本発明の完全かつ実施可能な開示は、その最良の形態を含み、当業者を対象とするものである。この開示を、添付の図を参照して、本明細書の残りの部分でより詳細に記載する。

本明細書および図面で参照文字を繰返し用いる場合、それは、本発明の同じまたは類似のフィーチャまたは要素を示すことを意図するものである。

以下の考察は、単なる実施形態の例の説明であり、本発明のより広い態様を制限するためのものではないことが当業者には理解されよう。これらのより広い態様は、例示の構成において実施される。

本発明は、物体の温度、特に、熱処理チャンバ内で加熱処理中の半導体ウエハの温度をより正確に求めかつ制御する方法およびシステムを対象とする。より詳細には、本発明は、熱処理チャンバがより再現性よくかつ正確に動作するように、熱処理チャンバ内に含まれる温度測定装置を較正する方法およびシステムを対象とする。例えば、熱処理チャンバ内に含まれる温度感知装置が、加熱中の半導体ウエハの温度を正確に測定することが重要である。これに関して、温度感知装置によりウエハの温度が正確に監視されることが保証されるように、これらの温度感知装置の較正を行うべきである。

一般に、温度感知装置、特に高温計などの放射感知装置を較正する本発明の方法は、熱処理チャンバ内に較正用ウエハを配置するステップを含む。チャンバ内に配置される較正用光源は、較正用ウエハ上に既知の波長で光エネルギーを放出するように構成される。較正用光源からウエハを透過する光の量を検出する光検出器を、このウエハの反対側に配置する。次いで、ウエハを透過した光の量に基づいてウエハの温度を計算する。この情報を用いて、チャンバ内に収容された、通常のウエハ処理中に使用する温度感知装置を較正する。

本発明では、半導体ウエハ処理システムに対して実施される自動化された手順によって温度測定システムを自動的に較正することができる。この温度較正方法は、半導体ウエハを貫通する赤外光透過のｉｎ−ｓｉｔｕ測定値に基づくものである。このウエハ処理機器には、ウエハを透過する赤外光から得られる信号を測定する装置と、通常の処理中に温度の測定および制御に使用する高温計システムなどの温度測定システムとが組み込まれる。この較正手順に用いるウエハの光学特性の温度依存性は既知であり、それを赤外透過信号の測定値と組み合わせてウエハの温度を推定する。このウエハの温度を用いて、高温計システムその他の温度測定装置を較正する。

較正ウエハの一方の側にある光源の強度を変調し、このウエハの反対側にある検出器は、ウエハを透過した光の量に比例する信号を検出する。このシステムには、観測される放射光の波長を選択する方法が組み込まれる。透過信号は、ウエハ内での光の吸収によって決まり、これは温度の関数である。その結果、この透過光信号からウエハの温度を推定することができる。

高温計その他の温度測定装置の視野内または視野付近（数センチメートル以内）のウエハ上の位置で赤外透過測定が行われるように構成される。ウエハを回転し得るシステムの場合、較正中の高温計その他の温度測定装置の視野と同じ半径のところ、あるいは同じ半径の付近で赤外透過測定を実施することも可能である。ウエハが、方位対称な温度分布を生成するのに十分に速い速度で回転すると仮定すると、赤外測定でサンプリングされた温度は、高温計によって特定の同じ半径のところでサンプリングされたものと同じになる。一実施形態では、ウエハを透過する赤外光の量を求める光検出器に至る同じファイバまたは光学系を、例えばこの信号を光学的に分割することによって高温計に導くことができる。

温度測定装置の較正は、自動化された手順によって実施し得る。この手順では、ウエハが自動的にロードされ、較正レシピによって、このウエハが所定の温度−時間サイクルにより加熱され、赤外透過システムおよび高温計システムによってデータが取得される。この手順は、ロードされたウエハを用いて、ウエハの透過率がわかっており、かつウエハが温度の影響をそれほど受けない温度で測定値を取得する段階を含み得る。こうすると、透過測定システムまたは較正用ウエハの光学特性の変化の影響が透過測定にそれほど及ぼさないように、信号を補正することができる。

この透過信号は、較正用に使用するウエハの特性を考慮に入れるアルゴリズムによって温度として解釈される。このアルゴリズムは、ウエハの厚さ、較正に用いる光の波長、透過信号から推定する温度の値の精度を向上させる助けとなる他のパラメータに関する情報を受け取ることができる。

温度測定装置を較正する方法は、熱処理チャンバ内にウエハがロードされる前に、透過システムを使用して測定を行う段階を含むこともできる。ウエハが定位置にある状態の透過信号と、ウエハがない状態の透過信号の比により、ウエハの透過率の推定値が得られる。次いで、ウエハのこの透過率測定値を、正しいウエハがロードされたことを保証し、そのウエハの劣化を検査するために用いることができる。ウエハが存在しないときの透過信号レベルも、透過測定用光学システムの状態を示すのに有益である。

本発明の方法およびシステムにより、様々な利点および利益が得られる。例えば、本発明により、放射感知装置を迅速に較正する比較的簡単な方法が得られる。所望の場合には、熱処理チャンバ内に較正用ウエハを配置することによって、ウエハ間またはウエハのロット間で自動的に較正を実施し得る。さらに、ウエハの移動および搬送を行う同じ機構を使用して、較正用ウエハをロードし、かつ熱処理チャンバから取り外すことができる。

本発明により、熱処理チャンバの動作を大きく妨げる必要がない比較的簡単な方法に従って、チャンバ内で放射感知装置を較正することができる。本発明を用いて、一点または多点式高温計システムを較正することができる。さらに、本発明の方法およびシステムにより、従来行われていたように熱電対を備えたウエハを組み込むことを必要とせずに較正を行うことができる。

次に図３を参照すると、本発明の一実施形態の簡略化された図が示されている。図に示すように、このシステムは、半導体ウエハ１４と、ウエハの温度を監視するのに通常用いられる高温計などの温度測定装置２７とを含む。温度測定装置２７を較正するために、このシステムは、ウエハ１４上の特定の位置に赤外光を放出する較正用光源２３をさらに含む。このウエハの反対側に、ウエハ１４を透過する赤外光の量を感知する光検出器４２がある。

シリコンの吸収係数α（λ、Ｔ）は、放射波長λおよび温度Ｔの関数なので、ウエハの透過率の測定値を用いて温度を求めることができる。以下の考察は、透過測定値をα（λ、Ｔ）に関係づける数学的な処理である。

一般のウエハは、考察を必要とする様々な特性を有する。反射率および透過率はウエハの２つの表面で異なることがある。さらに、これらの表面の反射率は、ウエハの外側からこれらの表面に入射する放射と、ウエハの内側からこれらの表面に入射する放射では異なることがある。ウエハが半透明である場合、ウエハ内を伝播する様々なエネルギービームの多重反射が、ウエハの外側から見た見かけの反射率Ｒ^＊（λ、Ｔ）および透過率Ｓ^＊（λ、Ｔ）に影響を及ぼす。後者の量は、光学的な測定によって直接測定することができる。この較正方法でＳ^＊（λ、Ｔ）を測定することができるのは、この量が温度の影響を最も大きく受けるからである（ただし、Ｒ^＊（λ、Ｔ）も温度測定に用いることができる）。ある書籍では、Ｒ^＊（λ、Ｔ）を反射度、Ｓ^＊（λ、Ｔ）を透過度と呼ぶ。

以下の考察では、ウエハの上面の透過率をＴ_ｔ、ウエハの底面の透過率をＴ_ｂ、基板内からウエハの上面に入射する放射に対するウエハ上面の反射率をＲ_ｔｓ、基板内からウエハの底面に入射する放射に対するウエハ底面の反射率をＲ_ｂｓとする。一般に、入射する放射が垂直入射でない場合、これらの特性はすべて、この放射の偏光面の関数になる。基板を透過する光線が受ける強度の減衰量Ａは次式で与えられる。

Ａ＝ｅｘｐ（−α（λ、Ｔ）ｄ／ｃｏｓθ） （１）
ただし、ｄは基板の厚さであり、θは内部伝播角である。後者の角度は、光線の方向とウエハ表面の垂線との間の角度である。こうすると、ウエハの見かけの透過率は次式で表される。

機器内の光検出器で測定される信号Ｖ（Ｔ）は、この量と、照明光源からウエハに入射する放射強度Ｉ_０に正比例する。その関係式を次式に示す。

Ｖ（Ｔ）＝ＣＩ_０Ｓ^＊（λ、Ｔ） （３）
ただし、Ｃは、光学系および電子回路の影響を受けるが、ウエハの温度によっては変化しない定数である。ウエハの温度を推定するには、Ｉ_０およびＣを含めて、未知の量の影響を測定値から取り除くべきである。これは、いくつかの方法で行うことができる。ウエハ表面の光学特性（ウエハ表面の反射率および透過率など）も考慮に入れるべきである。「正規化」手順により、これらの態様を処理することができる。例えば、２種類の手法を以下に示す。

（ａ）システム内にウエハが存在しない場合に対して正規化を行う。

この場合には、放射を吸収または反射するウエハが存在しないので、このシステムの透過率は１になる。次式で与えられる正規化信号Ｖ_００を測定し得る。

Ｖ_００＝ＣＩ_０ （４）
「高温（ｈｏｔ）ウエハ」の信号Ｖ（Ｔ）をＶ_００で割ることによって、ＣおよびＩ_０の影響を取り除くことができる。ただし、依然としてＳ^＊（λ、Ｔ）中の他の量の影響を補償しなければならない。これは、Ｔ_ｔ、Ｔ_ｂ、Ｒ_ｂｓ、およびＲ_ｔｓを含めて、用いられるウエハの光学特性を知ることによって行うことができる。これに関しては、ウエハ表面上の既知の被膜コーティングに基づいて計算を行うことによってこれらの量を決定し得るように、この較正手順で用いるウエハを選択することができる。この計算は、制御条件下で行い得る様々な光学測定によって強化することもできる。次いで、Ｓ^＊（λ、Ｔ）の測定値から式１のＡについて解くことによって吸収係数が得られる。Ａがわかると、ウエハの厚さ（の測定値）の影響について補正し、α（λ、Ｔ）を推定することが可能である。関数α（λ、Ｔ）がわかると、Ｔを推定することができる。この手順により、光源の波長の変動を補正することもできる。この手順を実施する厳密な方法は、応用例に応じて変わり得るはずである。例えば、一例として、ウエハの厚さおよび光源の波長をパラメータとし、Ｔを変数としてＳ^＊（λ、Ｔ）についての１組の行列を生成し、次いで、Ｓ^＊（λ、Ｔ）の測定値に適合するＴの最良値を数値的に特定し得るはずである。

Ｔ_ｔ、Ｔ_ｂ、Ｒ_ｂｓ、およびＲ_ｔｓの量自体が、温度および波長の依存性を有することがある。精度を確保するために、この解析におけるこの影響を、ウエハ表面の既知の挙動を明示的に含めることによって考慮に入れることができるはずである。この場合も、これらの補正は、標準の光学解析を用いて、波長および温度の関数としてＴ_ｔ、Ｔ_ｂ、Ｒ_ｂｓ、およびＲ_ｔｓを計算することによって行い得る。

（ｂ）ウエハが「低温（ｃｏｏｌ）」状態にある場合に対して正規化する。

この場合には、システム内に較正用ウエハがロードされた後で、正規化信号Ｖ_０１を取得する。Ｖ_０１は次式によって与えられる。

Ｖ_０１＝ＣＩ_０Ｓ^＊（λ、Ｔ_ｃｏｏｌ） （５）
ここで、Ｓ^＊（λ、Ｔ_ｃｏｏｌ）は、「低温」でのウエハの透過率である。この温度は通常、較正波長におけるウエハ中での吸収が無視し得る任意の温度である。この場合にはＡ〜１であり、次のように記述することができる。

次に、Ｖ_０１を用いて「高温ウエハ」の信号Ｖ（Ｔ）を正規化すると、次式が得られる。

Ｔ_ｔおよびＴ_ｂが温度に依存しないと仮定すると、上式が次のように簡単になる。

式８中の積Ａ^２Ｒ_ｔｓＲ_ｂｓの大きさを検討することによって、さらなる簡略化を行うことができる。この項は通常、２つの理由から極めて小さい。第１に、温度に対する感度が良好な場合、ウエハ中で適度に強い吸収が存在しなければならず、そのためＡが１よりもかなり小さくなるはずである。第２に、透過測定波長においてウエハ表面の反射率の値がやや小さいウエハを選択することができる。こうすると、透過光信号を最大にすることができる。別の現実的な要点は、照明にコヒーレント光源を使用する際に観察される干渉の影響により、これらの測定においてある種の問題が生じることである。Ｒ_ｔｓまたはＲ_ｂｓの値のいずれかが極めて小さいと、上記で特定された問題が緩和されることがある。さらに、普通のシリコンウエハでさえ、Ｒ_ｔｓ＝Ｒ_ｂｓ＝〜０．３であり、そのためＲ_ｔｓＲ_ｂｓが〜０．０９になる。そのため、Ｒ_ｔｓＲ_ｂｓの項は通常は１よりも極めて小さくなる。その結果、式８の分母で、１に比べて小さいこの項を無視する近似を行うことができる。この簡略化により、「低温」状態の場合に対して正規化するときに、この信号の形が簡単になる。

Ｒ_ｔｓＲ_ｂｓが１よりも極めて小さいと仮定すると、この式は次のようにさらに簡単なり得る。

この手法の利点は、Ｔ_ｔまたはＴ_ｂが温度に大きく依存しないと仮定すると、ウエハ表面の光学特性を知る必要がないことである。このことにより、ウエハ上の被覆および表面のテクスチャの特性の変動に対して温度の解釈がより確実になり得る。

どちらの正規化手法がより優れているかは、実用性によって決まる。ウエハが存在しない状態で測定値を取得する例の利点は、「低温」状態で影響が最も大きい干渉の影響を心配する必要がないことである。ウエハが「低温」状態で測定を行うことの利点は、表面の反射率、透過率、またはテクスチャの影響のわずかな変動が自動的に補償されることである。

上記で説明した解析はすべて、図２２に示す多重反射する様々な光線に起因する強度の寄与を加算することによって、見かけの反射率および透過率を計算し得るという仮定に基づいている。この仮定は、これらの光線に関連する電場間に相関関係がないときに有効である。これが生じるのは、検出された放射が、「中心」波長のかなりの部分の（例えば、０．００１よりも大きい）光学的な帯域に及び、ウエハが「光学的に厚い」、すなわち、ウエハの厚さが光の波長の何倍も大きい（例えば、１００倍よりも大きい）厚さに相当するときである。これらの条件は、光が「インコヒーレント」とみなされる場合に相当する。

光源が「コヒーレント」である場合には、一般に、検出される放射は、極めて狭い範囲の波長を対象とし、かつ／または、ウエハは光学的に「薄い」。この場合には、ウエハ中を伝播する様々な光線の電場間に強い相関関係があり得る。この場合には、強度の寄与を加算しても正しい物理的現象を反映しない。その代わりに、正しい見かけの反射率および透過率を得るには、多重反射する光線に関連する電磁波の電場および磁場のベクトル加算を行う必要がある。このような状況下では、これらの波が基板を横切るときのこれらの波の位相の変化の影響が極めて重要になる。２つの波の成分の場が同位相で合わせて加算される場合、得られる場が大きくなるので、その効果は強め合う干渉として知られており、これらの波の成分の場の位相が完全にずれている場合には、得られる場が小さくなるので、これは打ち消し合う干渉として知られている。これらの干渉の影響は、光学特性に重大な影響を及ぼすことがあり、さらに、これらの光学特性は、生じる位相の変化、したがって、ウエハの厚さ、放射波長、入射角、および基板の屈折率の影響を極めて大きく受ける。

これは問題になることがある。というのは、それによって、シリコンの吸収係数であるα（λ、Ｔ）の変化に関係しない極めて大きな変動が検出信号に導入されるからである。この問題は、吸収が増加し、ウエハが不透明になると大きく緩和される。というのは、多重反射が大きく減衰し、透過光強度の大部分が主に基板を直接透過する光から生じ、そのため、干渉の影響がほとんどなくなるからである。以下に、干渉の影響に起因する問題を緩和するための様々な方法を説明する。

比較的高温でのウエハの透過率と、低温の場合、あるいはシステム内にウエハが存在しないときなど、吸収が無視し得る場合（上記の式を参照）の透過率との比から、比較的高温でのウエハの温度を計算することができる。例えば、図２は、直径２００ミリメートル、厚さ約７２５ミクロンのシリコンウエハについて様々な波長で測定した透過率の比を示すグラフである。図に示すように、波長は、１．０６４ミクロンから１．５５ミクロンまで変化する。やはり図に示すように、比較的長い波長の光における透過率を用いて、比較的高い温度を求めることができる。

しかし、図に含まれる光の波長では、約８５０℃よりも高い温度で温度示度を得るのは難しくなる。というのは、透過光信号が小さくなり、検出するのが難しくなるからである。比較高い温度でも温度示度が得られるように、図２の結果を生成するのに使用された７２５ミクロンのウエハよりも薄い較正ウエハを使用することができる。以下に、より薄いウエハを使用して８５０℃よりも高い温度を求めることをより詳細に論じる。

図３に示す温度測定装置２７を較正するとき、温度測定装置２７によるウエハ上の温度測定位置にできるだけ近い状態で、較正用光源２３および光検出器４２が示度を取得することが望ましい。すなわち、高温計の視野内か、あるいはそれに十分近い位置に較正プローブを配置して、較正プローブのところでの温度と、高温計の視野内の温度の温度差を極めて小さくすべきである。これは、次式で与えられる熱拡散長Ｌ_ｄを基準にすることによって定量化し得る。

ただし、ｋ_Ｓｉはシリコンの熱伝導率、ｄ_ｗはウエハの厚さ、ε_ｆとε_ｂはそれぞれ前面と裏面の全放射率、σはステファンボルツマン（Ｓｔｅｆａｎ−Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ）定数、Ｔはウエハの温度である。

多くの応用例で、較正点を高温計の視野の〜Ｌ_ｄ内にすべきである。温度が上昇すると、この距離は短くなる。例えば、１１００℃よりも高い高温では、この距離は、約４ｍｍという近距離になることがある。いずれにしても、多くの応用例で、較正点と高温計の視野の間隔を約３Ｌ_ｄよりも長くすべきではない。例えば、ほとんどの応用例で、温度測定装置によるウエハ上の温度測定位置と、光検出器によるウエハ上の検出位置との間隔を約５ｃｍよりも長くすべきではない。

ただし、図４に示すように、熱処理チャンバ内でウエハを回転するときには、温度測定装置２７のウエハ温度測定位置と同じウエハ半径のところ、あるいはほぼ同じウエハ半径のところで透過光を検出することによって、精度を維持することができる。

図１には、本発明に係る一実施形態として、温度感知装置較正システムを組み込んだ熱処理システム１０の概略構成が示されている。

システム１０は、半導体ウエハなどの基板を受け取り、様々な処理を行うように適合された処理チャンバ１２を含む。チャンバ１２は、極めて高速に、かつ注意深く制御された条件下でウエハを加熱するように設計される。チャンバ１２は、ある種の金属、ガラス、およびセラミックを含めて、様々な材料から作製し得る。例えば、チャンバ１２は、ステンレス鋼または石英から作製し得る。

チャンバ１２を熱伝導性の材料から作製する場合、このチャンバは冷却システムを含むことが好ましい。例えば、図１に示すように、チャンバ１２は、チャンバの周囲に巻きつけられた冷却導管１６を含む。冷却導管１６は、水などの冷却液を循環させるように適合される。この冷却液を用いて、チャンバ１２の壁を一定温度に維持する。

チャンバ１２は、チャンバ内にガスを導入し、かつ／またはチャンバをあらかじめ設定した圧力範囲に維持するためのガス注入口１８およびガス排出口２０も含み得る。例えば、ガス注入口１８を通してチャンバ１２内に、ウエハと反応させるガスを導入し得る。処理後、ガス排出口２０を使用してこのガスをチャンバから排気し得る。

あるいは、ガス注入口１８を通してチャンバ１２に不活性ガスを供給して、望まれないまたは望ましくない副反応がチャンバ内で生じるのを妨げることができる。別の実施形態では、ガス注入口１８およびガス排出口２０を用いて、チャンバ１２を加圧し得る。所望の場合には、ガス排出口２０またはウエハの高さよりも下に配置した追加のより大型の排出口を用いて、チャンバ１２内で真空を生成することもできる。

一実施形態では、チャンバ１２は、ウエハ１４の上に描いた矢印で示すように、処理中に回転機構２１を利用してウエハを回転させるように設計された基板ホルダ１５を含み得る。ウエハを回転させると、ウエハ表面の上で温度がより均一になるように促され、ウエハとチャンバ内に導入されたガスとの接触が強化されるように促される。ただし、チャンバ１２は、ウエハの他に、光学部品、被膜、ファイバ、リボン、または任意の特定の形状を有する他の基板を処理するようにも適合されることを理解されたい。

処理中にウエハを加熱するための加熱源２２が、チャンバ１２に連通して含まれる。この実施形態では、加熱源２２は、タングステン−ハロゲンランプなど、複数のランプまたは光源２４を含む。加熱源２２は、１つの反射器または１組の反射器を含み得る。これらの反射器は、ウエハの温度を極めて均一にするために、この加熱源から放出される熱エネルギーを注意深くウエハに方向づけるものである。図１に示すように、ランプ２４はチャンバの上に配置される。ただし、ランプ２４は、ウエハの下などの任意の特定の位置に、単独であるいは複数のランプ２４を組み合わせて配置し得ることを理解されたい。

加熱源２２としてランプ２４を使用すると様々な利点が得られる。例えば、ランプの加熱速度および冷却速度は、電気素子または従来型の炉などの他の加熱装置よりもはるかに速い。ランプ２４により、瞬時エネルギーが得られる急速等温処理システムが形成される。このシステムに必要な始動時間は一般に、極めて短くかつ良好に制御されるものである。また、ランプ２４からのエネルギーの流れは、いつでも急に停止することができる。図に示すように、ランプ２４は、これらのランプから放出される熱エネルギーを増減するのに用いることができる段階的な電力コントローラ２５を備える。

加熱源２２としてランプ２４を使用することの他に、あるいはランプ２４を使用することに加えて、システム１０は、ウエハ１４を加熱するための加熱されたサセプタ（ｓｕｓｃｅｐｔｏｒ）２６を含み得る。サセプタ２６は、例えば、電気抵抗式ヒータまたは誘導型ヒータとし得る。図１に示すシステムでは、サセプタ２６はウエハ１４の下に配置する。ただし、加熱ランプと同様に、サセプタ２６は、ウエハの下に配置することもできるし、ウエハの上に配置することもできる。あるいは、このシステムは、ウエハの上下に配置された複数のサセプタを含み得る。

チャンバ１２内には、複数の放射感知装置２７も含まれる。放射感知装置２７は、光ファイバまたは光パイプ２８を含む。これらの光ファイバまたは光パイプは、対応する複数の光検出器３０に接続される。光ファイバ２８は、チャンバ内に存在するウエハから放出される熱エネルギーをある特定の波長で受け取るように構成される。次いで、感知された放射量は光検出器３０に伝えられ、光検出器３０により、ウエハの温度を決定するのに使用可能な電圧信号が生成される。一実施形態では、各光ファイバ２８は、光検出器３０と組み合わせて高温計を構成する。

図に示すように、システム１０は、チャンバ１２からランプ２４を分離するウィンドウ３２を含む。図に示す実施形態では、ウィンドウ３２は、ウエハからランプ２４を切り離し、チャンバの汚染を防止する働きをする。

図１に示すように、本発明に従って、システム１０は、放射感知装置２７を較正するための較正用光源２３および光検出器４２をさらに含む。上記で説明したように、較正用光源２３は、光エネルギー、特に赤外光エネルギーをウエハ上の特定の位置に放出する。較正用光源２３から放出され、ウエハを透過した光は、光検出器４２によって検出される。この情報から、ウエハの温度を求めて、放射感知装置を較正することができる。

図１に示すように、較正用光源２３は、加熱ランプ２４間に直接ウエハ１４に対向して配置し得る。ただし、較正用光源２３は、チャンバの外部または代替位置に配置することもできる。この実施形態では、較正用光源から放出された光は、光ファイバを用いてウエハ１４に送ることができる。

ウエハを通過した光エネルギーの量を正確に測定するために、図１に示すように、光検出器４２は、光検出器に透過光を方向づける光チャネル４４を含み得る。

一般に、本発明のシステムで用いる較正用光源２３は、所望の波長で光エネルギーを放出し得る任意の装置とし得る。例えば、較正用光源２３は、インコヒーレント光源またはコヒーレント光源とし得る。インコヒーレント光源の例には、タングステン−ハロゲンランプ、放電ランプ、発光ダイオード、超光発光ダイオードなどが含まれる。一方、コヒーレント光源の例には、レーザダイオードなどの固体デバイス、超蛍光ファイバレーザその他のタイプのレーザなどが含まれる。

放射感知装置の較正が必要なときには、チャンバ内に較正用ウエハ１４を配置し、上記の手順を実行する。図１には、較正用光源２３および光検出器４２を１つしか示していない。ただし、ほとんどの応用例では、このシステムは、様々な放射感知装置を較正するために、複数の光検出器およびそれに対応する較正用光源を含むことになることを理解されたい。

図１を参照すると、システム１０は、例えばマイクロプロセッサとし得るシステムコントローラ５０をさらに含む。コントローラ５０は、光検出器３０から、様々な位置でサンプリングされる放射量を表す電圧信号を受け取る。コントローラ５０は、受け取った信号に基づいて、チャンバ内に収容されたウエハの温度を計算するように構成される。

図１に示すシステムコントローラ５０は、ランプ電力コントローラ２５とも通信し得る。この配置では、コントローラ５０は、ウエハの温度を計算し、この計算された情報に基づいて、ランプ２４から放出される熱エネルギー量を制御することができる。このようにして、注意深く制御した限界値内でウエハを処理する反応炉１２内の状態に関して瞬時に調整を行うことができる。上記で説明したように、ランプ２４に加えて、またはランプ２４の代替形態として、このシステムは、図１に示すサセプタ２６をさらに含み得る。この実施形態では、コントローラ５０を用いて、サセプタから放出される熱の量を制御することができる。両方の加熱装置が存在するとき、このサセプタはランプとは独立に、あるいはランプとともに制御し得る。（あるいは、このシステムは、ランプを含まず、サセプタしか含まないことがある。）
一実施形態では、コントローラ５０を用いて、このシステム内の他の要素を自動的に制御することもできる。例えば、コントローラ５０を用いて、ガス注入口１８を通してチャンバ１２に入るガスの流量を制御することができる。図に示すように、コントローラ５０を用いてさらに、チャンバ内でウエハ１４の回転速度を制御することができる。

本発明によれば、システムコントローラ５０を用いて、放射感知装置２７を自動的に較正することもできる。例えば、コントローラ５０は、較正用光源２３および光検出器４２とも通信し得る。こうすると、コントローラ５０を用いて、較正用光源２３が光を放出しているときに、放出される光の量を制御することができる。コントローラ５０は、光検出器４２から情報を受け取って、較正用ウエハの温度を求め、その後、この求められた温度に基づいて放射感知装置２７を較正するように構成することもできる。

次に、本発明の様々な実施形態を論じる。具体的には、インコヒーレント光源を用いる本発明の第１動作を説明し、その後で、コヒーレント光源の使用について考察する。その後、較正用ウエハの様々な実施形態を説明する。最後に、本発明を実施する方法を論じる。

較正用光源
Ａ．インコヒーレント光源
上記で述べたように、一実施形態では、較正用光源２３は、タングステン−ハロゲンランプまたは発光ダイオードなどのインコヒーレントランプとし得る。例えば、一実施形態では、この較正用光源は超光発光ダイオードとし得る。一部のインコヒーレント光源は、それらをいくつかの所望の波長で透過測定を行うための光源として使用し得るという利点を有する。例えば、一部のインコヒーレント光源は広範囲の波長を放出し、発光ダイオードなどの他のインコヒーレント光源は、比較的狭い範囲の波長を放出する。インコヒーレントランプを使用する場合、光検出器４２は、単一波長を検出する単一の検出器を含むこともできるし、いくつかの波長で透過信号を同時に測定する検出器アレイを含むこともできる。

図１に示す単一の較正用光源２３を含めることとは別に、本発明のシステム内に複数の較正用光源も存在し得ることも理解されたい。あるいは、ウエハ１４上の複数の位置に光を伝達する複数の光ファイバと接続して配置した単一の較正用光源を用いることができる。

一実施形態では、較正用光源の出力を、例えば機械式チョッパで、あるいは電子的にチョッピングすることができる。較正用光源からウエハ上に間欠的に光を放出すると、較正用光源が光を放出しているときと、較正用光源が光を放出していないときに測定を行うことによって、存在するバックグラウンドの迷光の量を求める助けとなり得る。

図５に、較正用光源２３としてインコヒーレント光源を使用して本発明に従って構築したシステムの一実施形態を示す。この実施形態では、光源２３から送出され、較正用ウエハ１４を透過した光ビームは、光検出器４２によって検出される。光検出器４２は、例えばフォトディテクタその他の任意の適切な装置とし得る。

この実施形態では、ランプ２３をコリメート光学系６０とともに使用して、この光をウエハ１４の特定の位置に集光させる。ウエハ１４を透過した光を測定し、かつ迷光を除去するために、このシステムは、光検出器４２の視野を画定する１つまたは複数の開口６２を含み得る。検出波長帯域をより良好に規定するために、スペクトルフィルタ６４を含めることもできる。図５に示す実施形態をインコヒーレント光源の使用に関連して説明したが、コリメート光学系の使用および図５に全体的に示す構成は、光源がコヒーレントであるか、インコヒーレントであるかにかかわらず、あらゆる異なるタイプの光源とともに用いることができることを理解されたい。

Ｂ．コヒーレント光源
インコヒーレント光源を使用する代わりに、較正用光源は、狭い波長範囲で比較的高出力を提供し得るレーザなどのコヒーレント光源とすることもできる。コヒーレント光源の１つの特定の例は半導体レーザである。このような光源は、電気的に容易に変調される。レーザなどのコヒーレント光源は、極めて狭い放射スペクトルを有する。このことはある種の利点になり得るが、放射スペクトルが狭いことにより、潜在的な問題も生じ得る。具体的には、このシステムは、コヒーレント光源から放出される光がウエハの２つの表面間で反射するときに、干渉の影響をより受けやすくなることがある。特に、最終的に光検出器４２に達する透過信号は、インコヒーレント光源を使用するときよりも、ウエハの厚さおよびその屈折率の影響をより受けやすくなることがある。ただし、この影響を打ち消すためにいくつかの対策を講じることができる。

例えば、一実施形態では、複数波長の放射スペクトルまたは一連の狭い放射スペクトルを有するコヒーレント光源を使用することができる。別の実施形態では、較正用ウエハは、少なくとも１つの粗い表面を含み得る。ただし、これにより、光源からの光の一部が散乱されるという望ましくない影響が生じ得る。本発明の別の実施形態では、較正用光源から放出される光の経路長を、例えばウエハの厚さをわずかに変えることによって変更することができる。具体的には、ウエハの厚さは、透過測定を行う領域で徐々に薄くすることなどによって変えることができる。別の実施形態では、較正用ウエハは、以下でより詳細に説明する反射防止被覆を含み得る。

加熱中にウエハを回転させる場合には、この回転を利用して、ウエハ内で干渉の影響を小さくすることが可能である。１つの手法は、ウエハを回転させ、透過光信号を測定することである。ウエハが回転すると、赤外ビームによってプロービングされるウエハの厚さがわずかに変化し、干渉の状態が変化することになり、その結果、透過光強度の振動が生じる。少なくとも１回転にわたって信号を取得することによって、干渉の影響を平均化して除去し、それによって、透過率に関するより信頼性の高い値を得ることができる。

別の手法は、コヒーレント光源の経路中に（すりガラスプレートなどの）光学素子を配置して、光ビームからその空間的コヒーレンスをなくすというものである。ビームのプロフィール全体にわたって電磁場振動の位相を変化させ、次いで、検出器のところで、測定される信号に様々な成分が合成されるようにこのビームの一部分を取得することによって、ウエハ内または光学素子内での干渉の影響が大きく減少し得る。複数のレーザ源を互いに近接して配置し、それによってそれらが合成されて１つの光ビームが形成され得るように使用しても、類似の結果が実現されよう。この実施形態では、複数のレーザ素子を組み込んだ大面積放射源が有用になり得るはずである。

別の実施形態では、複数のコヒーレント光源を使用し、ある範囲の波長を導入することによって、このビームの時間的コヒーレンスを減少させる助けとなり得るはずである。例えば、ある種のタイプのダイオードレーザの放射波長は、厳密に制御されていない。デバイス特性の自然なばらつきにより、照明用の比較的広い実効スペクトルが得られることがある。所望の場合には、より広範囲の波長が得られるように光デバイスを作為的に選択し得るはずである。また、公称仕様が同じいくつかの光源を作為的に異なる温度で動作させて、ある範囲の波長を生成することができるはずである。というのは、多くの場合、出力波長はデバイスの温度の影響を受けるからである。

別の実施形態では、インコヒーレント光源とコヒーレント光源の組合せを使用することによって、干渉の影響を小さくすることができる。この実施形態では、比較的低い温度での較正用光源としてインコヒーレント光源を使用し得る。比較的低い温度では、透過測定値は、屈折率および基板の厚さなどの様々なパラメータにそれほど依存しない。比較的低い温度の例には、約７００℃未満の温度、特に約５００℃未満の温度を含めることができる。

約５００℃よりも高い温度、特に約７００℃よりも高い温度などの比較的高い温度では、較正用光源はコヒーレント光源とし得る。比較的高い温度では、特定の波長での出力が比較的大きく、かつ波長の先鋭度がより良好なコヒーレント光源が好ましいことがある。較正用光源からの透過を検出するのに、同じ検出器を使用することもできるし、異なる検出器を使用することもできる。この実施形態では、例えば、インコヒーレント光源を使用して比較的低い温度で透過測定値を取得することができる。次いで、これらの透過測定値と、コヒーレント光源を使用して取得した透過測定値とを組み合わせて用いて、比較的低高い温度でのウエハの温度を求めることができる。

コヒーレント光源またはインコヒーレント光源のいずれを用いるかにかかわらず、ほとんどの応用例で安定かつ再現性のよい強度が提供されるように、光源用の電源が構成されることが望ましい。本発明の技術は、ウエハが高温のときの透過率測定が、ウエハの透過率が既知の温度のときのウエハから得られた透過率の値に関連して行われるという意味で自己較正的であるが、較正レシピによってウエハが加熱される間に、依然として光源強度のなんらかのドリフトが生じる可能性がある。この変動は、光源用の電源の安定化を確実に行うことによって少なくすることができる。任意選択で、光検出器を使用して較正用光源から放出される光の一部をサンプリングし、それによって、測定中に光源の強度を安定させ、再現性をよくするように、光源を監視するための信号、あるいは、光源の強度を制御するための信号を生成することができる。

較正波長
透過測定用の動作波長は、温度に対する感度が良好であるように選択すべきである。一般に、ウエハは、透過赤外信号強度の正確な測定を行うことができるように十分に透明とするべきである。こうするには、ほとんどの状況で、プローブ波長における透過率が１０^−６よりも大きいことが必要とされる。

ウエハの透過率も、ウエハの温度の影響を受けやすくすべきである。例えば、指定した較正温度付近で、ウエハの透過率が、１℃の変化につきウエハ透過率の値の約０．５％よりも大きく変化することが望ましい。透過率が、１℃の温度変化につき約５％よりも大きく変化すると理想的である。

ある種の応用例では、較正用ウエハが、高温計の波長においてほぼ不透明だが、透過試験波長において依然として測定可能な放射量を透過させると有利なことがある。こうすると、対象とする較正温度における標準の厚さのウエハの光学特性の典型的な状態が較正に反映されるので望ましいことがある。実際には、高温計の波長におけるウエハの透過率が約０．０１未満であり、赤外透過プローブ波長における透過率が約１０^−６よりも大きければ十分であろう。この条件は満足されることが多い。というのは、一般に、シリコンの吸収係数が近赤外範囲で最小値を示し、そのため、ウエハが他の波長に不透明である条件下で、この波長範囲の透過測定を実施し得るからである。この考え方は、標準の厚さのウエハが通常は可視の波長および赤外波長に極めて不透明である約８００℃よりも高い温度における較正で特に有益なことがある。

他の応用例では、放射源または光学フィルタの公称値の精度よりもよい精度で測定波長がわかると望ましいことがある。この場合には、放射源のスペクトルまたは光学フィルタの透過率を測定して、厳密な測定波長を確立することができる。次いで、この値を用いて示度の精度または再現性を向上させることができる。例えば、この測定システムを複数の処理システム内で用いる場合、システム間で測定波長の変動の影響を補正して、異なるシステムにおいて最も安定した較正を実現することが重要なことがある。これを行うための一方法は、透過光信号を推定温度に変換するときに、波長入力および波長変動を考慮に入れるアルゴリズムを用いることである。

一実施形態では、上記で述べたように、本発明のシステムは、単一波長の代わりに、ある範囲の波長にわたって温度測定が実施されるように構成することができる。いくつかの波長にわたって温度を測定すると、様々な利点が得られる。例えば、透過スペクトルの測定値により、ウエハが冷えている場合など、ウエハの透過率が既知である温度における透過強度を測定する正規化ステップを実施する必要なく、ウエハの温度を求めることができる。この温度を求めることができるのは、吸収スペクトルの形状を識別し、それを用いてウエハの温度を求めることができるからである。こうすると、ウエハの透過率が温度に大きく依存する関数でない場合に、温度示度を取得する必要がない。

より具体的には、少なくとも２つの波長についての透過率を測定することによって、これらの波長における相対透過率を定義し得る。適合パラメータとして温度を用いて、比較的広いスペクトル（すなわち、多重波長）を収集し、あるモデルに合わせることができる。この実施形態では、ウエハの厚さの変動または被覆などの他のパラメータの予期せぬ変動に対して有利になり、かつそれらに対する許容度がより広くなることがある。

このような状況は、約２００℃未満などの極めて低い温度における動作について高温計を較正しようと試みる場合にも有益なことがある。このような状況では、正規化温度は一般に、正規化温度の正確な値が透過率に影響を及ぼしにくくするために、室温に極めて近い温度にしなければならない。こうすると、ウエハを入れるときに熱処理環境の温度がすでに比較的高く、そのため、約３０℃未満の温度の示度を取得することが極めて難しい応用例で特に役立つ。

ある範囲の波長にわたって取得されるスペクトル測定値によっても、光源強度または検出器特性のドリフト、光学的な汚染およびノイズが、温度測定に影響を及ぼしにくくなる傾向がある。スペクトル測定値は、様々な波長の光を放出するインコヒーレント光源を使用して取得することもできるし、複数のインコヒーレント光源または複数のコヒーレント光源など、複数の光源を使用することによって行うこともできる。この測定値は、異なる波長で、同時にまたは異なる時点で、例えば連続的に取得することができる。

図１に示すように、較正用光源２３は、光検出器４２の上に直接配置される。較正用光源２３から放出される光は、ウエハ上に垂直に当たるように構成することもできるし、あるいは、入射角を垂直とせずにウエハに入射させることもできる。ある種の応用例では、ウエハ表面からの反射を少なくするためにある角度でウエハに光が当たることが望ましいことがある。例えば、光がＰ偏光面で偏光しており、臨界角に近い角度で入射する場合、表面の反射率はほぼゼロになる。反射率を小さくすることによって、ウエハを透過する信号がより大きくなるだけでなく、ウエハ内での干渉の影響も小さくなる。一実施形態では、入射角を垂直とせずに偏光を使用することが望ましいことがある。

迷光放射の影響の低減
上記で説明したように、本発明の測定およびシステムは、精度を向上させるために、透過光信号と迷光放射源に起因する信号とを区別することができるはずである。図１に示す実施形態では、ウエハ１４は片側からしか加熱されない。この場合には、ウエハ自体が、迷光が光検出器４２に達する可能性を小さくする遮蔽として働く。というのは、検出器が、ウエハに関して光源２４とは反対側に配置されているからである。ただし、特にウエハの両側に光源を有するシステムで用いるために利用可能な、迷光および干渉を少なくする他の様々なやり方がある。

一般に、ほとんどの応用例では、光検出器４２が受け取る光信号を交流信号その他の類似の信号にして、ウエハ、ランプその他の放射源から発する迷光に起因する信号と区別することができるように、較正用光源２３を変調すべきである。スペクトルフィルタリング、信号平均化、および例えばロックイン増幅器による位相敏感検出を含めて、迷光を除去する様々な技術によって検出信号から透過光信号を抽出することができる。上記の手法では、信号に大量のノイズが混ざっている場合でも、極めて微小な交流信号を抽出することができる。

一実施形態では、光検出器４２に到達する透過光の量を最大にするように照明光学系を構成することもできる。例えば、図５に示すように、較正用光源２３から放出された光ビームをコリメートすることができる。別の手法は、タングステンフィラメントなどを使用することによってフィラメントの温度がウエハよりもかなり高い光源を使用して、監視波長においてウエハよりも光源をはるかに明るくするというものである。この目的にはコヒーレント光源も使用し得る。レーザ源を使用すると、ウエハを通して光検出器４２にかなり大きな光出力を送達することもできる。

照明光学系を使用して透過光を増加させることとは別に、迷光を最小限に抑えるように検出光学系を構成することもできる。例えば、ウエハの照明領域だけを視野とする検出光学系を使用し得る。検出光学系に、ウエハではなく光源から発する光を優先的に集光する角度的な受入れ特性をもたせることができる。例えば、ウエハから放出される黒体放射は、ウエハ表面からあらゆる方向に放射される傾向がある。検出光学系が光源光学系によって規定された方向に伝播する光を受け取りやすいように検出光学系の角度的な受入れ特性を制限することによって、透過光に対する放出された放射の比を小さくすることができる。同様な検討を加熱ランプ２４からの迷光放射に適用し得る。加熱ランプ２４は、これらのランプが配置される位置に応じて、ウエハを透過するか、あるいはウエハの裏面から反射される放射を生成し得る。このシステムが、ランプからウエハを透過する直接光路またはウエハから光が鏡面反射して出射する条件に対応する光路を受け入れない検出光学系を含む場合、ランプからの迷光は大きく減少する。

照明光学系および検出光学系とは別に、本発明のシステムは、透過測定に用いる波長に近いある範囲の波長以外の放射を除去する光学フィルタも含み得る。例えば、この波長範囲は干渉フィルタによって規定される。

特に較正用光源２３としてタングステン−ハロゲンランプなどのインコヒーレント光源を使用する場合、このフィルタが所望の透過帯域以外を良好に遮断する特性を有することが望ましい。具体的には、インコヒーレント光源は、すべての波長で変調光を放出することができ、その結果、光検出器４２は、フィルタ透過帯域以外の波長で、変調により生じた交流信号を受け取る恐れがある。例えば、ほとんどの応用例では、このフィルタの透過率は、透過帯域以外で約１０^−３未満とすべきであり、約１．４ミクロン未満の波長を用いて測定を実施するときには、このフィルタは上記の遮断特性、特にこの通過帯域の長波長側を遮断する特性を有することが望ましい。というのは、シリコンの透過率は、比較的長い波長においてより大きいからである。

一実施形態では、フィルタによる遮断は約１０^−６未満とし得る。このタイプの遮断は、組合せによる遮断が所望の値に達するように２つの干渉フィルタを組み合わせることによって実現することができる。場合によっては、これらのフィルタの１つをランプ源の出力側に配置して、ランプから放出される波長範囲を制限すると好都合なことがある。

ただし、較正用光源２３がレーザなどのコヒーレント光源である場合、変調波長範囲が本質的に小さいので、フィルタは不要である。そうではあるが、一実施形態では、フィルタを使用して、ウエハおよび加熱ランプからの迷光放射の量を少なくすることができる。

インコヒーレント光源を使用する場合でも、フィルタが望まれないことがある。あるいは、複数の帯域フィルタを使用することができる。狭帯域フィルタを使用せずに、あるいは複数の帯域フィルタを使用して動作させると、ある種の状況では様々な利点が得られることがある。例えば、フィルタを使用せずに動作させると、フィルタの切換えを必要とせずに、１つの検出器を使用して、異なる波長で放射を放出するいくつかの異なる光源からの放射を検出することができる。

本発明の別の実施形態では、較正用光源２３は偏光を放出し得る。この実施形態では、このシステムは、指定した偏光を選択して迷光を除去する検出光学系を含み得る。偏光を生成するために、較正用光源２３は、本来偏光されているレーザとし得る。あるいは、較正用光源２３は偏光子を含み得る。

較正用ウエハ
本発明のシステムで使用する較正用ウエハは、ウエハを透過する光の透過率が、光検出器４２によって観測される波長において温度の関数になるように選択する。このウエハは、厚さの変更、ウエハのドープ、ウエハへの表面被覆の塗布、および表面テクスチャの改変を含めて何種類もの方法で、較正を行うための最適化を施すことができる。

一実施形態では、較正用ウエハは普通のシリコンウエハとし得る。このウエハは、抵抗率が約０．５Ωｃｍよりも大きい、薄くドープしたシリコンウエハとし得る。この実施形態では、標準の厚さのウエハを使用し得る。現在、標準のウエハの厚さは、２００ｍｍウエハでは７２５ミクロンであり、３００ｍｍウエハでは７７５ミクロンである。ほとんどの応用例では、較正基準の再現性を向上させるために、このウエハの両面を研磨する。

較正用ウエハの温度の計算は、ウエハを透過する光の波長およびウエハの厚さに依存する。これに関しては、ウエハの厚さは、ある程度の精度で既知であるべきである。一実施形態では、温度測定中に使用するウエハの厚さの変動を補正すると望ましいことがある。例えば、ウエハの厚さを測定し、このデータを、ウエハの温度を求めるのに用いるアルゴリズムに入力することができる。あるいは、本発明のシステムは、ウエハの厚さを測定し、この情報を、例えば温度測定中に使用するコントローラ５０に自動的に提供する機器を備えることができる。このウエハ厚さ用の機器は、熱処理チャンバ内でウエハの厚さを測定することもできるし、チャンバ内にウエハを挿入する前にウエハの厚さを測定することもできる。ただし、厚さの変動が無視し得るように較正用ウエハが作製される場合には、このような機器は不要である。

較正用光源２３から放出された光がウエハから反射するのを妨げるために、一実施形態では、較正用ウエハ１４に反射防止被覆をコーティングすることができる。ウエハに反射防止被覆をコーティングすると、ウエハから反射する光の量が少なくなるだけでなく、ウエハ内部で生じる干渉の影響も小さくなる。

図６および図７を参照すると、反射防止被覆を含む較正用ウエハ１４の２種類の実施形態が示されている。図６では、単一の反射防止被覆７０が較正用ウエハ１４の上面に存在する。一方、図７では、反射防止被覆７０がウエハ１４の上面に配置され、第２反射防止被覆７２がウエハの底面に配置される。

反射防止被覆をウエハに塗布するとき、対象とする赤外波長における光の反射を大きく減少させることができ、干渉の影響がなくなる。１つ（または複数）の反射防止被覆により、ウエハを透過する光の量が増加して、透過測定の精度が向上するという点での利益も得られる。

ただし、反射防止被覆は、較正中の高温計の高温計波長におけるウエハの放射率に影響を及ぼすことがある。高温で実施する較正では、ウエハが通常は高温計波長において不透明であり、図６に示すようにウエハの１つの表面だけを被覆すると望ましいことがある。具体的には、高温計に面するウエハの表面を被覆しないままにして、高温計波長の放射率に影響を及ぼさずに所望の効果を実現することができる。

本発明の別の実施形態では、図８に示すように、較正用ウエハ１４は、反射防止被覆７０だけでなく、放射率が指定された被覆７４を含み得る。特に、多くの状況では、熱処理チャンバ内に含まれる温度測定装置は、高温計波長においてスペクトル放射率が異なる１組のウエハによって較正される。放射率が異なるウエハを使用して、高温計における放射率の影響を補正し、温度測定を目標ウエハのスペクトル放射率に無関係にする。したがって、ある実施形態では、特定の放射率を有する本発明による異なる較正用ウエハを使用し得る。

一般に、本発明に従って任意の適切な反射防止被覆を使用し得る。このような被覆は、例えば、二酸化シリコン、窒化シリコン、またはこれら２つの組合せから作製し得る。このような材料は、特定の放射率を有する被覆を形成するのにも使用し得る。この目的にはシリコン被膜も使用し得る。シリコン被膜の屈折率は大きく、これはある種の応用例で有益なことがある。図８に示す被覆７０または７４は、誘電体被膜製とすることもできる。この誘電体被膜は、所望の波長において適切な反射率および／または放射率を有するように特に設計された多層被膜とし得る。このような被膜は当技術分野では周知のものであり、米国カリフォルニア州サンタローザ（Ｓａｎｔａ Ｒｏｓａ）所在のＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ社から入手することができる。

被覆７０または７４が存在するとき、これらの被覆は、較正用光源２３から放出される赤外光の透過率に影響を及ぼし得る。これらの変動を計算または測定によって考慮に入れ、較正用ウエハの温度を計算するのに用いるアルゴリズムに組み込むことができる。赤外透過波長では反射防止被覆として作用し、高温計波長では反射被覆または反射防止被覆として作用する異なる設計の被覆を形成することも可能である。

おそらくは本発明によってなされる温度測定精度の向上とは別に、反射防止被覆その他のタイプの被覆を使用すると、他の利益が得られることがある。例えば、較正用ウエハ上の被覆の光学特性を選択することによって、温度測定システムの性能の様々な態様を調べ、問題の性質を診断することが可能である。例えば、高温計の光学系および電子回路が正しく動作しているかどうかを検査するテストでは、高温計波長を「反射させない」被覆をウエハの裏面に用いることができ、それによって、高温計のところでの信号が、ウエハとチャンバの壁の間での多重反射に起因する影響など、システムの光学系の他の態様の影響を受けなくなる。こうすると、このシステムが、ウエハの放射率を反射により強め、放射率に依存しないように役立てる場合に特に有益である。これらのシステムでは、放射率の強化に用いる補助反射器の反射率が、システム性能における主要な役割を果たす。反射プレートの反射率が劣化したかどうかを明らかにし得るテストでは、反射プレートからの多重反射が関与するように、高温計波長において極めて反射率が高い被覆を用いる。このような種類のウエハは、任意の種類のシステム内で放射率補正システムが働いているかどうかを検査するのにも有用なことがある。これらのタイプのテストにより、検査のためにチャンバを開ける必要なく、様々なタイプの問題を切り分けることができる。

上記で説明した被覆は、酸化され表面が粗くなるために徐々に進行する熱劣化が、ウエハの光学特性に及ぼす影響を小さくする助けにもなり得る。したがって、劣化させずに較正用ウエハを多重熱サイクルにかけることができる。例えば、厚さ約３０ｎｍ未満の酸化物の薄い層により、周囲のガス中の低濃度酸素および水蒸気による能動的な酸化に起因する熱エッチングからシリコンの表面を保護することができる。窒化物の薄い被膜も類似の目的に役立ち得る。これらの被膜は、反射防止被覆用または上記で説明したスペクトル放射率の変更用の被覆のスタック中に上層として含めることができる。さらに、厚さ約３０ｎｍ未満の酸化物被膜を選択することによって、ウエハの放射率に対する被膜の影響を最小限に抑えることができる。

較正用ウエハとしてシリコンウエハを使用することとは別に、他の様々なタイプのウエハを使用し得ることも理解されたい。一般に、較正用ウエハは、透過または反射のスペクトルが温度に依存する任意の適切な材料製とし得る。例えば、較正用ウエハは、ゲルマニウム、シリコンカーバイド、ガリウムヒ素、アルミニウムヒ素、インジウムリン、ガリウムリン、窒化ガリウム、およびこれらの合金製とすることもできる。実際、上記材料の一部は、透過率についての温度範囲を延ばすのに有用なことがある。

較正用ウエハとしてシリコンを使用するとき、シリコンの温度透過率特性は、標準の厚さのウエハでは約８５０℃未満の温度において良好であることが知られている。しかし、上記で説明したように、温度が８５０℃よりも高くなると、シリコンはより多くの光エネルギーを吸収し始め、それによって温度測定がより難しくなる。一実施形態では、本発明による温度測定をより高い温度まで拡張するために、より薄いウエハを使用することができる。例えば、９５０℃の２５０ミクロンウエハについての１．５ミクロンの波長における内部透過率の予測値は０．０１２であり、これは、厚さが従来の７２５ミクロンのウエハについての透過率の３００，０００倍よりも大きい。極めて薄いウエハを使用することによって、ＩＲ透過は、より高い温度まで拡張し得る。さらに、薄いウエハを使用しても、ウエハが高温計の波長の放射に不透明のままである限り、高温計によって取得される温度測定値に影響を及ぼさない。

ただし、比較的薄いウエハを使用すると様々な現実的な問題が生じ得る。例えば、これらのウエハは、高温ではウエハ自体の重量によりたわむことがあり、組成変形することさえある。図９から図１８は、これらのタイプの問題を最小限に抑えることができる薄い領域を有する較正用ウエハの様々な実施形態の例である。

例えば、図９を参照すると、較正用ウエハ１４は、透過測定用の薄い領域を有するように示されている。この実施形態では、ウエハ１４は、光検出器４２および較正すべき温度測定装置すなわち高温計２７の視野内または視野付近の位置に穴または通路８０を含む。この実施形態では、所望の厚さを有するシリコン部材８２を穴８０の上部に配置する。シリコン部材８２の厚さは、例えば、約３００ミクロン未満、詳細には約２００ミクロン未満、より詳細には約１５０ミクロン未満とし得る。ウエハ１４中に形成された穴８０の上にシリコン部材８２を配置することによって、熱処理チャンバ内で使用するのに比較的堅固であるが、依然として本発明による測定を行うのに使用する薄い区画を有する較正用ウエハを生成することができる。

シリコン部材８２は、穴８０の上で定位置に配置し、様々な方法を用いてウエハに固定し得る。例えば、一実施形態では、シリコン部材８２を定位置で接合し得る。陽極接合または熱接合など、任意の適切な接合方法を用いることができる。

代替実施形態では、このシリコン部材を定位置に保持するために、ウエハの上に保持カバーを配置し得る。この保持部材は、シリコン、シリコンカーバイド、シリカ（石英）、またはサファイア製とし得る。この保持カバーが透明でない場合、ある種の応用例では、正確な透過測定値を取得するために、この保持カバーを貫通する穴または通路をシリコン部材に整列させて配置することが必要なことがある。ただし、石英またはサファイアなどの透明な材料を使用するときには、このような開口は不要である。

一実施形態では、シリコン部材８２は、異なる温度範囲を対象とするために異なる厚さを有することがある。この実施形態では、より広い温度範囲を較正するためにこのシステムが用いる赤外透過波長の数を、厚さの範囲を変化させることによって少なくすることができる。さらに、複数の高温計を較正する場合、図１３に示すように、較正用ウエハ１４は、様々な異なる位置に多数の異なる穴を含み得る。あるいは、それぞれ選択位置に単一の穴またはいくつかの穴を含む１組の異なる較正用ウエハを使用し得る。

図１０に示すように、一実施形態では、較正用ウエハ１４は、薄い部材８２を配置するためのリッジを有する陥凹部８４を含み得る。この実施形態では、薄い部材８２は、処理中に位置合わせされたままであり、ウエハの上部に配置するのが比較的簡単である。

別の実施形態では、較正用ウエハ１４中に穴を形成し、次いで、薄い部材でこの穴を覆う代わりに、図１１および図１２に示すように、ウエハ中に陥凹部８６を形成することによってウエハに薄い領域を形成することができる。図に示すように、陥凹部８６により、ウエハ１４中に薄い区画８８が形成される。陥凹部８６は、機械加工またはエッチングなど、任意の適切な方法で形成し得る。図１４に示すように、一実施形態では、陥凹部８６の厚さを傾斜状に変化させて円錐台形状を形成する。このように厚さを傾斜状に変化させ、かつ隅を曲線状にすることより、薄い区画の縁部における熱勾配が小さくなり、それによって、機械的な破損の可能性が小さくなり、かつ応力が小さくなる。

較正用ウエハが薄い区画を含む場合、加熱中にウエハ中で温度勾配が進展する可能性がある。薄い区画とウエハの残りの部分の間の熱放射特性の差の影響を小さくするために、ウエハは被覆を有し得る。この被覆は、例えば、単層または多層の被覆とし得る。この被覆は、二酸化シリコン、シリコン、ポリシリコン、および／または窒化シリコンなどの材料製とし得る。この被覆は、薄い区画と厚い区画の放射率および吸収率をより良好に一致させるように設計することができる。一実施形態では、この被覆は、上記で説明した反射防止被覆のいずれかから製作し得る。

代替実施形態では、較正用ウエハは、熱質量差を少なくするために薄い区画に隣接して配置される充填部材を含み得る。この充填部材は、例えば石英またはサファイアなどの酸化アルミニウムから作製し得る。

図１６、図１７、および図１８は、本発明に従って作製された較正用ウエハ１４の別の実施形態を示す。これらの実施形態では、較正用ウエハ１４は、複数のチャネル９２によって画定された光透過領域９０を含む。このように、透過領域９０は、厚い領域と混在した薄い領域を含む。厚い領域の厚さは、ウエハ自体の厚さと同じである。チャネル９２は、図１６に示すようにウエハの厚さの一部だけを貫通して延びることもできるし、図１７および図１８に示すようにウエハの厚さ全体を貫通することもできる。図１７および図１８では、厚い領域９４は薄い部材８２に取り付けられる。さらに、図１８では、薄い部材８２は、ウエハ内に形成された陥凹部８４内に配置される。図１７および図１８に示す実施形態では、薄い部材８２は、例えば接合によってウエハ１４に取り付けることができる。

図１６、図１７、および図１８に示す実施形態では、較正用ウエハを比較的高い温度に加熱するとき、光の透過は主にチャネル９２によって決まる。したがって、厚い部材９４の存在が温度測定を妨げることはない。この実施形態の較正用ウエハでは、いくつかの利点が得られる。例えば、この薄い領域を小さく、かつ厚い領域と混在させて保つことによって、横方向の温度勾配および熱応力の問題を緩和し得る。さらに、高温計、較正用光源、または光検出器を透過領域９０に位置合わせするのが比較的容易になり得る。

図１６から図１８に示す実施形態を組み込む際に、ある種の応用例では、測定中に厚い領域の存在を補正するために、厚い領域と薄い領域の比が既知であると望ましいことがある。この比は、任意の適切な方法で測定し得る。例えば、物理的な測定を利用してこの比を求めることもできるし、光学的な測定により、ビーム経路中のウエハを透過する光束と、ウエハが存在しない場合の光束とを比較することもできる。後者の測定は、厚い領域が実質的に不透明になる任意の好都合な波長で実施し得る。これらの領域は、例えば、光リソグラフィその他の類似の技術を用いてそれらを形成することによって、本質的に高精度で確立することもできるはずである。機械による微細加工法を用いて、適切な構造を生成し得るはずである。これらの薄い領域の厚さは、例えば、既知の温度かつ適切な波長で透過測定を実施することによって求めることができる。

透過領域９０を形成するとき、ウエハは、図１４に示すように複数の領域を含むこともできるし、図１５に示すようにウエハ全体を覆う単一の透過領域を含むこともできることを理解されたい。

図１７または図１８に示す較正用ウエハを組み込む際に、一実施形態では、薄い部材８２を裏返しにし、その結果、この薄い部材が較正中の高温計に面するようにウエハを向けると好ましいことがある。この構成は、高温計が、一連の穴ではなく不透明で均質な表面を観測することになるので有利なことがある。

図１９を参照すると、較正用ウエハ１４の別の実施形態が示されている。この実施形態では、較正用ウエハ１４は、透明な基板１０２の上面に配置された薄いシリコン層１００を含む。例えば、この透明な基板は、酸窒化アルミニウム、スピネル、溶融石英、またはサファイアとし得る。こうすると、極めて薄いシリコン材料の性能を有する堅固な較正用ウエハが得られる。

いくつかの異なる方法で、シリコン層１００を透明な材料上に配置し得る。例えば、透明な基板にこのシリコン層を接合することもできるし、あるいは、透明な材料の上面に被着させることによってこのシリコン層を形成することもできる。

図２０を参照すると、較正用ウエハ１４の別の実施形態が示されている。この実施形態では、較正用ウエハ１４は、シリコン基板１０６の上面に配置された薄いシリコン層１００を含む。シリコン層１００は、絶縁層１０４によってシリコン基板１０６から分離される。絶縁層１０４は、二酸化シリコンなどの酸化物から作製し得る。図に示すように、較正用ウエハ１４は、シリコン基板１０６中に形成されたチャネル９２を有する透過領域９０をさらに含む。

図２１を参照すると、図２０に示すものに類似の較正用ウエハ１４の実施形態が示されている。ただし、図２１では、酸化物層１０４を貫通してチャネル９２が形成される。

図１６、図１７、図１８、図２０、および図２１に示す実施形態では、シリコンウエハは、透過領域９０の支持体として働く。ただし、シリコンから作製する代わりに、この支持基板は他の材料から作製し得る。例えば、一実施形態ではこの基板は、強度、高熱伝導率、化学的な耐久性、および機械的な耐久性の点で利点が得られるシリコンカーバイドから作製し得る。

本発明の別の実施形態では、較正用ウエハは、実質的に不透明な材料から作製される不透明な領域と、例えばシリコンから作製される透過性領域とを含み得る。このタイプの較正用ウエハは、低温での較正で用いるのによく適していることがある。この実施形態では、較正すべき高温計は、不透明な領域内のウエハから放出される熱放射を感知するように配置し得る。ただし、透過測定値は、これらの透過性領域内で取得することができる。

このウエハを構築するのに使用し得る実質的に不透明な材料の例には、ホウ素、ヒ素、またはリンなどの材料をドープしたシリコンが含まれる。実質的に不透明な材料の他の例には、チタン被膜、コバルト被膜、ニッケル被膜、およびタングステン被膜などの金属被膜、ならびに、チタンシリサイド、コバルトシリサイド、ニッケルシリサイド、およびタングステンシリサイドなどの金属シリサイド製の被膜が含まれる。窒化チタンなど、他のいくつかの導電材料も使用し得るはずである。

上記で述べたように、ある種の応用例では、透過領域９０の厚い領域と薄い領域の比が既知であると望ましいことがある。ただし、一実施形態では、赤外透過法で信号を正規化するのに用いられる低温において厚い領域が不透明である限り、この情報は不要なことがある。この方法が自己補正的なので、この構成では別個の測定が不要になる。不透明度は、いくつかの方法で測定し得るはずである。例えば、一実施形態では、厚い領域は不透明であるが、薄い領域は完全に透明であることがわかっている温度で信号の正規化を行うことができる。あるいは、選択したプローブ波長における吸収または反射が強い被覆をこれらの厚い領域に塗布することができる。別の技術は、例えばイオン注入によってこれらの厚い領域を濃くドープすることである。

一実施形態では、較正用ウエハは、正規化温度において不透明な材料からその大部分を作製し得る。この場合も、このウエハは、図１９に示すウエハに類似の薄いシリコンの被覆を含み得る。この実施形態では、この支持ウエハは、濃くドープした材料から作製するなど、対象とする波長において不透明な任意の適切な材料から作製し得る。

本発明の別の実施形態では、異なる材料から作製した異なる較正用ウエハを使用し得る。異なる材料を使用すると、より広範囲の温度でより多くの測定値を取得することができる。使用し得る他の材料には、シリコンカーバイド、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、またはガリウムリンが含まれる。特に、較正用ウエハを形成する材料は、ＩＲ透過波長には透明だが、高温計波長では不透明なものを選択することができる。

例として、下記の表に、３種類の波長および３種類のウエハの厚さの案についての実用的な温度範囲の一部を列挙する。この実施形態では、「Ｌｏｗ Ｔ」の見出しは、所与の波長／厚さの組合せの範囲内での実用的な低温の下限を示し、「Ｈｉｇｈ Ｔ」の見出しは、同じ組合せについての温度の上限を示す。この実施形態では、低温の下限は、限界温度感度によって設定されている。具体的には、この下限は、透過光信号がもはや、１℃の変化につき透過光信号値の少なくとも０．１％も変化しない（ｓｅｎｓ（％／℃）で示す）温度を示す。一方、上限は、ウエハが極めて不透明になった時点で設定されている。この実施形態では、高温の範囲は、ウエハがもはや光エネルギーを透過光の少なくとも１０^−８の割合（１００，０００，０００分の１）も透過させない時点とした。この表では、これを「ｉｎｔ ｔｒａｎｓ」で示す。選択した波長は、１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍである。というのは、これらの波長が商用光源に好都合だからである。１２００ｎｍの波長は任意に選択したものである。

較正手順
次に、本発明のプロセスを実行するための様々な方法を論じる。一実施形態では、例えば、熱処理チャンバ内に選択した較正用ウエハをロードする。次いで、較正レシピを実行する。このレシピにより、所定の温度−時間サイクルを通してウエハが加熱され、必要とされるデータが取得される。このデータは、高温計の示度および赤外透過データを含み得る。上記で説明したアルゴリズムが、この透過データをウエハ温度の形で解釈し、高温計システムを補正するのに用いるパラメータを計算し、それによって、高温計システムから推定された温度と、赤外透過システムから推定された温度が一致する。もちろん、高温計の他に、このシステムを使用して、他の温度測定装置を較正することもできる。

典型的なレシピは、１回の加熱サイクルまたは複数回の加熱サイクルを含み得る。ウエハは、高温計システムによって決まる所与の温度に昇温され、ある決まった時間その温度に保たれ、第２温度に移行する前にデータが取得され、それが繰り返される。このレシピは、較正すべき温度範囲を含む。このレシピは、ウエハの透過率が既知である温度の部分と、ウエハの透過率が温度に大きく依存する関数ではない部分を含み得る。このレシピのこの部分により、この赤外システムが、信号を正規化するのに用いる透過信号を取得することができ、それによって、この赤外透過測定システムの光学系の影響すなわち変動を取り除くことができる。

コヒーレント光源を使用する場合、このレシピのこの部分は、ウエハを貫通する光路長の大きな変化をもたらすゆっくりとした温度の移行または振動も含み得る。これらの変動により、ウエハの上下の表面から偏向された光のビーム間の光学的な干渉についての条件が変化し、したがって透過信号が振動する。データ記録システムは、この透過データを収集し、次いで、時間平均して振動の影響を小さくすることができる。この手法は、ウエハの透過率が十分に大きく、それによってウエハ中の多重反射が一要因になる条件下で実施されるレシピ中の各段階で有用なことがある。

代替タイプのレシピは、立ち上がりレシピおよび／または立ち下がりレシピによってデータを動的に収集することである。この場合の移行速度は、この２つの測定システムの出力間に無視し得る時間遅れが生じるように、かつ実験的なノイズを減少させるのに十分な信号平均化が行われるのに十分に遅くしなければならないであろう。この実施形態では、薄い区画を有するウエハを使用する場合、厚い区画と薄い区画の温度応答は類似したものになるはずである。

ある種の応用例では、チャンバ内に較正用ウエハをロードする前にこの透過システムを使用して測定を実施すると有用なこともある。定位置にウエハが存在する場合の信号と、ウエハが存在しない場合の信号の比により、このウエハの透過率の推定値が得られる。このウエハの透過率の測定値は、例えば、正しいウエハがロードされたかどうかを検査するのに、あるいは、ウエハの劣化を試験するのに有用になり得る。ウエハが存在しないときの透過信号のレベルも、透過測定用光学系の状態の有用な指標である。

上記手順の一代替実施形態では、それぞれ処理システム内に自動的にロードすることができる２つ以上の較正用ウエハを使用し得る。複数の較正用ウエハは、いくつかの目的に役立つことがある。例えば、異なる特性を有する異なるウエハを熱処理チャンバ内にロードすることができ、それによって、低い温度範囲だけでなく高い温度範囲でも十分な性能が得られる。例えば、薄い領域を備えたウエハを比較的高い温度用に使用し得る。また、これらのウエハは、高温計システムが放射率に依存しない温度測定値を与えるのに必要な較正を行うことができるように様々な被覆を含み得る。

本発明のシステムの１つの応用例では、１つまたは複数の温度を選択して高温計システムの較正を行って、このシステムが正しく動作していることを迅速に検証すると望ましいことがある。この場合には、較正用ウエハをロードし、極めて簡単なレシピを実施することができる。このレシピでは、例えば、１つの試験温度に移行し、高温計および赤外透過データを収集する。この手順は、使用者が指定した間隔で日常的に実施し得る。この手順に必要とされるデータを収集して、高温計システムの特性のドリフトを追跡することができる。温度測定装置と求めた透過温度との間に顕著な差異が認められる場合には、このシステムを較正し直すか、あるいは整備またはチャンバの清浄を実施し得る。

ある種の応用例では、ウエハの通常の処理中に本発明の透過測定システムを動作させることもできる。具体的には、ウエハ基板のドープが既知であり、かつこのウエハが測定可能な量の赤外放射を透過させる場合に、本発明のシステムをウエハの通常の処理中に使用し得る。例えば、プロセスレシピを実行し、高温計が温度の示度を取得しながら、アルゴリズムにより、ＩＲ透過の示度に対して高温計からの示度を検査することができる。これらの示度の差異がなんらかの指定制限値よりも大きい場合、是正措置が必要とされることの指示とみなすことができる。この方法は、指定した温度範囲またはレシピ時間の一部または全部に対して実施し得る。

実際には、処理中のウエハについて十分な情報がわかっている場合、実際のウエハを処理しながら、処理チャンバ内の温度測定装置を較正することができる。較正は、例えば、温度サイクルの初期の部分で行うことができる。この初期の部分では、ウエハの温度は、依然としてＩＲ透過システムが適切に機能するのに十分に低い。この応用例では、ＩＲ透過率から推定された温度は、ウエハの放射率の推定値が改善されるように、したがって、高温計の精度が改善されるように働き得る。

一実施形態では、本発明の透過測定システムを使用して、プロセスの均一性を監視することができる。この実施形態では、好ましくはこのシステムは、ウエハ上のいくつかの位置で光の透過を測定するように働き得る複数の透過測定装置を含む。ウエハの通常の処理中に、あるいは特別のウエハを用いた試験動作中に、この透過測定システムは、複数の位置でウエハの温度を監視し得る。次いで、この情報を用いて、このシステムにプログラムされた加熱サイクルが透過測定を実施するすべての位置で正しく動作していることを検査し判定することができる。より具体的には、この実施形態では、この透過測定システムにより、加熱サイクルが正しく設定されていることをリアルタイムで保証する方法が提供される。例えば、この透過測定システムにより、精度を確保するために、立ち上がり速度および立ち下がり速度を含めて、加熱サイクルの温度プロフィールを決定することができる。すべての監視位置であらかじめ設定した制限内に加熱サイクルを維持することによって、チャンバ内で実施中のプロセスが、アニールを行っているか、ウエハ上に材料を被着させているかどうかにかかわらず、プロセスの均一性が向上する。

原理的には、熱処理チャンバの加熱システムは、本発明の閉ループモードの赤外透過測定によって推定された温度からのフィードバックを利用して制御することができる。こうすると、高温計システムが以前に全く較正されておらず、その結果、その示度が不正確すぎて、それらを用いて加熱サイクルを制御することができない場合に有用なことがある。

閉ループ制御サイクルで使用することに加えて、開ループ制御サイクルで本発明の赤外透過測定システムを使用することもできる。開ループ制御サイクルでは、フィードバック信号を用いずに光源を制御する。その代わりに、光源をあらかじめプログラムして、特定の加熱サイクルを実行する。

本発明の透過測定システムを使用して、他の任意の温度測定装置とは無関係にウエハの温度を求めると、大部分のウエハが測定可能な量のＩＲ放射を透過させる約８００℃未満の温度において特に有用である。この実施形態では、本発明の透過システムを使用して、比較的低い温度で処理中のウエハの温度を監視することができ、通常の温度測定装置を使用して、比較的高い温度でウエハの温度を監視することができる。例えば、この実施形態では、この透過測定システムは、比較的低い温度ではあまり正確でない高温計とともに用いるのに特によく適している。

最終的には、プロセスサイクル全体を通して室温以上の温度で完全な閉ループ制御を適用することができ、その結果、最大で高温計の制御が行われる温度までウエハを加熱するのに通常用いられる開ループ加熱ブロックが不要になる。この実施形態により、全体的なプロセス制御および処理能力が向上し、レシピを生成するのに必要とされる労力を軽減し得る。さらに、最大プロセス温度が約８００℃未満の応用例では、本発明の透過測定システムによって加熱サイクル全体を制御することができるはずである。

ｉｎ−ｓｉｔｕ透過測定システムが存在すると、ウエハの処理中に他の様々な有用な情報を得ることもできる。例えば、本発明のシステムは、処理中のウエハが対象とする１つまたは複数の温度で不透明かどうかに関する情報を提供するようにも構成される。この情報を用いて、最適な温度測定値および制御アルゴリズムを自動的に選択して、軽くドープしたウエハ、濃くドープしたウエハ、および金属化されたウエハを、それらの大きく異なる強度吸収特性を補償する最適な方法で扱うことができる。

当業者なら、添付の特許請求の範囲により詳細に記載した本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本発明に対する上記その他の改変形態および変形形態を実施することができる。さらに、これら様々な実施形態の態様は、全体として、または部分的に交換可能であることを理解されたい。さらに、上記説明は単なる例であり、前記添付の特許請求の範囲でさらに詳細に記載する本発明を限定するためのものではないことが当業者には理解されよう。

本発明に従って温度測定装置を較正するシステムの一実施形態を示す側面図である。 シリコンウエハを透過する光の量を異なる温度および波長で示すグラフである。 本発明に従って作製されたシステムの一実施形態を示す側面図である。 本発明に従って作製されたシステムの代替実施形態を示す斜視図である。 本発明に従って作製されたシステムの別の代替実施形態を示す図である。 本発明に従って作製された較正用ウエハの実施形態を示す図である。 本発明に従って作製された較正用ウエハの実施形態を示す図である。 本発明に従って作製された較正用ウエハの実施形態を示す図である。 本発明に従って作製された較正用ウエハの実施形態を示す図である。 本発明に従って作製された較正用ウエハの実施形態を示す図である。 本発明に従って作製された較正用ウエハの実施形態を示す図である。 本発明に従って作製された較正用ウエハの実施形態を示す図である。 本発明に従って作製された較正用ウエハの実施形態を示す図である。 本発明に従って作製された較正用ウエハの実施形態を示す図である。 本発明に従って作製された較正用ウエハの実施形態を示す図である。 本発明に従って作製された較正用ウエハの実施形態を示す図である。 本発明に従って作製された較正用ウエハの実施形態を示す図である。 本発明に従って作製された較正用ウエハの実施形態を示す図である。 本発明に従って作製された較正用ウエハの実施形態を示す図である。 本発明に従って作製された較正用ウエハの実施形態を示す図である。 本発明に従って作製された較正用ウエハの実施形態を示す図である。 ウエハの外側の表面間での光の多重反射を示す断面図である。

Claims (71)

1. 熱処理チャンバ内で温度測定装置を較正する方法であって、
   該チャンバ内に配置された半導体ウエハの温度を監視する少なくとも１つの温度測定装置を含む熱処理チャンバを提供する工程であって、該熱処理チャンバは、該チャンバ内に収容されたウエハを加熱する加熱装置と連通し、さらに較正用光源を含み、
   前記熱処理チャンバ内に較正用ウエハを配置する工程と、
   前記加熱装置を使用して前記較正用ウエハを加熱しながら、前記較正用光源から前記較正用ウエハ上に光エネルギーを放出させる工程と、
   前記較正用光源から放出され、前記較正用ウエハを透過する光エネルギーの量を検出し、検出された透過光量に基づいて前記較正用ウエハの温度を求める工程と、
   前記求められた温度に基づいて前記温度測定装置を較正する工程と
   を具えたことを特徴とする方法。
2. 前記加熱装置は、少なくとも１つの光エネルギー源を具えたことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記加熱装置は、サセプタプレートを具えたことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記較正用ウエハを透過する前記光エネルギーは、所定の波長で検出されることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記所定の波長は、約１ミクロンから約２ミクロンの波長を含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記較正用ウエハは、シリコンウエハを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記温度測定装置は、高温計を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記較正用ウエハを透過する光エネルギーの量は、該ウエハの厚さが約１５０ミクロン未満である前記ウエハ上の位置で検出されることを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 前記較正用ウエハを透過する光エネルギーの量は、前記ウエハの厚さを薄くした前記ウエハ上の位置で検出されることを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 前記較正用光源は、レーザまたは発光ダイオードを具えたことを特徴とする請求項１記載の方法。
11. 前記較正用光源は、超光発光ダイオードを具えたことを特徴とする請求項１記載の方法。
12. 前記較正用光源は、超蛍光ファイバレーザまたは半導体レーザを具えたことを特徴とする請求項１記載の方法。
13. 前記較正用ウエハを透過する前記光エネルギーは、２つ以上の波長で検出されることを特徴とする請求項４記載の方法。
14. 前記較正用ウエハは、第１の厚さを有する少なくとも１つの薄い領域を有するウエハを具え、
    前記第１の厚さは前記ウエハの第２の厚さよりも薄く、前記薄い領域は約１５０ミクロン未満の厚さを有することを特徴とする請求項１記載の方法。
15. 前記薄い領域の厚さは、約１００ミクロン未満であることを特徴とする請求項１記載の方法。
16. 前記ウエハは複数の薄い領域を含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
17. 前記較正用ウエハは、前記ウエハの少なくとも片側に配置された被覆をさらに含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
18. 前記被覆の反射率は、決定された波長で約０．２５未満であり、前記決定された波長は、約１ミクロンから約２ミクロンであることを特徴とする請求項１７記載の方法。
19. 前記ウエハは、合わせてグループ化された複数の薄い領域を含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
20. 前記ウエハの複数の位置で、前記複数の薄い領域が合わせてグループ化されることを特徴とする請求項１９記載の方法。
21. 前記薄い領域の長さ寸法の最大値は、少なくとも１ｍｍであることを特徴とする請求項１４記載の方法。
22. 前記較正用ウエハは開口を画定し、前記薄い領域は、前記開口の上に配置された薄い部材を含み、
    前記較正用ウエハは、前記ウエハの片側に配置され、それによって前記薄い部材を定位置に維持する保持カバーをさらに含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
23. 前記保持カバーは、前記較正用ウエハを透過する前記光エネルギーが検出される所定の波長で実質的に透明な材料を含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
24. 前記較正用ウエハは、前記薄い領域に隣接して配置された充填部材をさらに具え、
    前記充填部材は、前記透過光が検出される波長の光に実質的に透明な材料から作製され、前記充填部材は、前記薄い領域と前記ウエハの残りの部分の熱質量差を小さくするように働くことを特徴とする請求項１４記載の方法。
25. 前記充填部材は、石英または酸化アルミニウムから作製されることを特徴とする請求項２４記載の方法。
26. 前記較正用ウエハを透過する光エネルギーの量は複数の波長で検出され、前記複数の波長で検出された前記光エネルギーを用いて、前記較正用ウエハの温度を決定することを特徴とする請求項１記載の方法。
27. 前記熱処理チャンバは、第１較正用光源および第２較正用光源と連通し、前記第１較正用光源はインコヒーレント光源を具え、前記第２較正用光源はコヒーレント光源を具え、
    前記第１較正用光源を使用して比較的低い温度で透過測定値を取得し、前記第２較正用光源を使用して、前記比較的低い温度の透過測定値と組み合わせて、比較的高い温度で前記較正用ウエハの温度を決定することを特徴とする請求項１記載の方法。
28. 前記保持カバーは、前記ウエハの表面の上で不連続であり、
    前記保持カバーは、前記温度測定装置が前記ウエハの温度を決定する前記ウエハ上の位置には存在しないことを特徴とする請求項２２記載の方法。
29. 前記較正用ウエハは、被覆を含み、
    前記被覆は、前記薄い領域と前記ウエハの残りの部分の差の影響を小さくするように働くことを特徴とする請求項１４記載の方法。
30. 前記被覆は、シリコン、ポリシリコン、窒化シリコン、またはそれらの混合物を含むことを特徴とする請求項２９記載の方法。
31. 前記較正用ウエハは、実質的に不透明な材料から作製されたウエハを含み、
    前記ウエハは、シリコンを具えた透過性領域をさらに含み、
    前記透過性領域は、透過光エネルギーの量が検出される位置に配置されることを特徴とする請求項１記載の方法。
32. 前記不透明な領域は、ドープしたシリコン、金属、またはシリサイドを含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
33. 温度測定装置を較正する方法であって、
    半導体材料製のウエハを加熱しながら、較正用光源から前記ウエハ上に光エネルギーを放出させる工程と、
    放出され、前記ウエハを透過する光エネルギーの量を検出する工程と、
    検出された透過光エネルギーの量に基づいて前記ウエハの温度を求める工程と、
    前記ウエハを透過する光エネルギーの量から求められた前記温度に基づいて、前記ウエハの温度を測定する温度測定装置を較正する工程と
    を具えたことを特徴とする方法。
34. 前記放出される光エネルギーは、所定の波長の電磁放射を含むことを特徴とする請求項３３記載の方法。
35. 前記所定の波長は、約１ミクロンから約２ミクロンの波長を含むことを特徴とする請求項３４記載の方法。
36. 前記温度測定装置は、高温計を含むことを特徴とする請求項３３記載の方法。
37. 前記ウエハを透過する光エネルギーの量は、前記ウエハの厚さが１５０ミクロン未満である前記ウエハ上の位置で検出されることを特徴とする請求項３３記載の方法。
38. 前記ウエハを透過する光エネルギーの量は、前記ウエハの厚さを前記ウエハの残りの部分に比べて薄くした前記ウエハ上の位置で検出されることを特徴とする請求項３３記載の方法。
39. 前記ウエハは、シリコンウエハを具えたことを特徴とする請求項３３記載の方法。
40. 前記ウエハは、第１の厚さを有する少なくとも１つの薄い領域を含み、
    前記第１の厚さは前記ウエハの第２の厚さよりも薄く、
    前記薄い領域は約１５０ミクロン未満の厚さを有することを特徴とする請求項３３記載の方法。
41. 前記薄い領域の厚さは、約１００ミクロン未満であることを特徴とする請求項４０記載の方法。
42. 前記ウエハは、前記ウエハの少なくとも片側に被覆を含むことを特徴とする請求項３３記載の方法。
43. 前記被覆の反射率は、決定された波長で約０．２５未満であり、前記決定された波長は、約１ミクロンから約２ミクロンであることを特徴とする請求項４２記載の方法。
44. 前記ウエハは、少なくとも２つの領域を含むことを特徴とする請求項４０記載の方法。
45. 前記較正用光源は、光学素子に関連して動作可能に配置されたコヒーレント光源を具え、前記光学素子は、すりガラス材料を含むことを特徴とする請求項３３記載の方法。
46. 熱処理チャンバ内で温度測定装置を較正するシステムであって、
    半導体ウエハを受け取るように適合されたチャンバと、
    前記チャンバ内に収容された半導体ウエハを加熱するための、前記チャンバと連通した加熱装置と、
    前記チャンバ内に収容された半導体ウエハの温度を監視する温度測定装置と、
    前記チャンバ内に配置される較正用ウエハと、
    少なくともある特定の波長で前記較正用ウエハ上に光エネルギーを放出する較正用光源と、
    前記特定の波長で前記較正用光源から前記較正用ウエハを透過する光エネルギーの量を検出するように配置された光検出器と
    を具え、該検出された光エネルギーの量を用いて、前記温度測定装置を較正することを特徴とするシステム。
47. 前記光検出器および前記温度測定装置に接続されたコントローラをさらに具え、
    前記コントローラは、前記光検出器から情報を受け取り、その後、前記情報を用いて前記温度測定装置を較正するように構成されることを特徴とする請求項４６記載のシステム。
48. 前記加熱装置は、少なくとも１つの光エネルギー源を具えたことを特徴とする請求項４６記載のシステム。
49. 前記加熱装置は、サセプタプレートを具えたことを特徴とする請求項４６記載のシステム。
50. 前記光検出器は、フォトセンサを具えたことを特徴とする請求項４６記載のシステム。
51. 前記温度測定装置は、高温計を含むことを特徴とする請求項４６記載のシステム。
52. 前記光検出器は、約１ミクロンから約２ミクロンの波長の電磁放射を含む前記光エネルギーを検出するように構成されることを特徴とする請求項４６記載のシステム。
53. 前記較正用光源は、レーザ、発光ダイオード、超光発光ダイオード、または超蛍光ファイバレーザを含むことを特徴とする請求項４６記載のシステム。
54. 熱処理チャンバ内で温度測定装置を較正するのに用いるためのものである較正用ウエハであって、
    直径が少なくとも２００ｍｍであり、第１の厚さを有する少なくとも１つの薄い領域を含み、前記第１の厚さは前記ウエハの第２の厚さよりも薄く、前記薄い領域は約１５０ミクロン未満の厚さを有することを特徴とするウエハ。
55. 前記薄い領域の厚さは、約１００ミクロン未満であることを特徴とする請求項５４記載の較正用ウエハ。
56. 少なくとも２つの薄い領域を含むことを特徴とする請求項５４記載の較正用ウエハ。
57. 前記ウエハの前記第２の厚さは、少なくとも２５０ミクロンであることを特徴とする請求項５４記載の較正用ウエハ。
58. 前記薄い領域の長さ寸法の最大値は、少なくとも１ｍｍであることを特徴とする請求項５４記載の較正用ウエハ。
59. 前記薄い領域の抵抗率は、少なくとも０．０１Ωｃｍであることを特徴とする請求項５４記載の較正用ウエハ。
60. 前記薄い領域は、シリコンを含むことを特徴とする請求項５４記載の較正用ウエハ。
61. 前記ウエハは、シリコン製であることを特徴とする請求項５４記載の較正用ウエハ。
62. 前記ウエハの少なくとも片側に被覆を含むことを特徴とする請求項５４記載の較正用ウエハ。
63. 前記被覆の反射率は、決定された波長で約０．２５未満であり、前記決定された波長は、約１ミクロンから２ミクロンであることを特徴とする請求項６２記載の較正用ウエハ。
64. 前記薄い領域は、前記ウエハに画定された穴の上に配置された一片の薄い材料を含むことを特徴とする請求項５４記載の較正用ウエハ。
65. 前記薄い領域は壁によって囲まれ、前記壁は傾斜した表面を含むことを特徴とする請求項５４記載の較正用ウエハ。
66. 合わせてグループ化された複数の薄い領域を含むことを特徴とする請求項５４記載の較正用ウエハ。
67. 前記ウエハの複数の位置で、前記複数の薄い領域が合わせてグループ化されることを特徴とする請求項６４記載の較正用ウエハ。
68. 前記較正用ウエハは、開口を画定し、
    前記薄い領域は、前記開口の上に配置された薄い部材を含み、
    前記較正用ウエハは、前記ウエハの片側に配置され、それによって前記薄い部材を定位置に維持する保持カバーをさらに含むことを特徴とする請求項５４記載の較正用ウエハ。
69. 前記保持カバーは、前記較正用ウエハを透過する前記光エネルギーが検出される所定の波長で実質的に透明な材料を含むことを特徴とする請求項６８記載の較正用ウエハ。
70. 前記較正用ウエハは、前記薄い領域に隣接して配置された充填部材をさらに具え、
    前記充填部材は、前記透過光が検出される波長の光に実質的に透明な材料から作製されることを特徴とする請求項５４記載の較正用ウエハ。
71. 前記充填部材は、石英または酸化アルミニウムから作製されることを特徴とする請求項７０記載の較正用ウエハ。

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